Gebruik van nanogestruktureerde materiale op driedimensionele nikkelskuimmateriale as elektrokatalisators vir waterkrake

Die uitputting van fossielbrandstowwe en groeiende kommer oor energie- en omgewingskwessies het gelei tot uitgebreide navorsingspogings om alternatiewe energiebronne te ontwikkel.Elektrochemiese elektrolisewater word as 'n belowende strategie vir waterstofbrandstofproduksie beskou. Doeltreffende waterkraking vereis egter doeltreffende en duursame elektrokatalisators wat die kinetika van die suurstof-ekstraksie-reaksie (OER) en waterstof-ekstraksie-reaksie (HER) kan versnel. Edelmetaalbevattende katalisators, soos Pt en sy legerings, RuO2 en IrO2, is tans die doeltreffendste katalisators om OER en HER te kataliseer. Die hoë koste en skaarsheid van edelmetale het egter die grootskaalse toepassing daarvan en die ontwikkeling van hernubare energietegnologieë belemmer. Om hierdie beperkings te oorkom, is aansienlike pogings aangewend om nie-edelmetaal elektrokatalisators te ontwerp en te sintetiseer deur gebruik te maak van grond-oorvloedige materiale as ekonomiese alternatiewe vir OER en OERHER. Oorgangsmetaaloksiede, sulfiede, fosfiede, koolstofmateriale, seleniede en gemengde metaalkomplekse is omvattend bestudeer en het belowende prestasie vir OER en HER getoon. Die meeste van hierdie elektrokatalisators benodig egter hoër oorpotensiale as edelmetaal-gebaseerde katalisators, en die verbetering van hul stabiliteit bly noodsaaklik. Daarom is daar 'n dringende behoefte om 'n laekoste en doeltreffende alternatiewe elektrodestruktuur met hoë aktiwiteit en langtermynstabiliteit te ontwikkel vir doeltreffende watersplitsing.

Op die gebied van elektrochemiese toepassings, is twee hoofstrategieë gebruik om elektrodes voor te berei. Die eerste en mees gebruikte tegniek behels die gebruik van katalisators in poeiervorm. Tipies word elektrodes gekonstrueer deur gebruik te maak van slurries van elektroaktiewe materiale, geleidingsversterkers en kleefmiddels op geleidende substrate. Hierdie benadering is egter nie sonder nadele nie. Die grootste nadeel is die vereiste vir 'n elektries isolerende bindmiddel, wat die kontakarea tussen die elektroliet en die katalisator verminder. Dit kan lei tot blokkering van die katalities aktiewe plekke, wat lei tot hoë weerstand en verminderde elektrokatalitiese werkverrigting. Daarbenewens is die elektrodes relatief onstabiel, aangesien die aangehegte katalisator geneig is om teen hoë stroomdigthede van die geleidende substraat af te skil. Die tweede hoofstrategie vir elektrodevoorbereiding is die gebruik van edelmetaal-gebaseerde materiale wat direk op die geleidende substraat neergesit word, soos nikkelskuim, koperfoelie, koolstofdoek of papier, FTO, vlekvrye staal en nikkelfoelie. Hierdie benadering is egter nie sonder sy beperkings nie. Dit is moeilik om die toeganklike spasie tussen die gedeponeerde aktiewe materiale presies te beheer en daarom verminder die elektrodeprestasie met toenemende filmdikte as gevolg van die ontoeganklikheid van die substraat na die katalities aktiewe plekke binne. Daarbenewens belemmer die kompleksiteit en hoë koste van die metode die praktiese toepassing daarvan grootliks. Daarom is die ontwikkeling van koste-effektiewe vervaardigingstegnieke virdriedimensionele (3D) elektrodesis nodig vir suksesvolle elektrochemiese toepassings.

Die ontwikkeling van nuwe driedimensionele metaalmateriale met poreuse strukture en hoë spesifieke oppervlakareas het aansienlike aandag getrek as gevolg van hul potensiaal om ioondiffusielengte te verminder en ioniese en elektroniese geleidingsvermoë te verhoog. Daarom is 'n belowende rigting vir elektrokatalisatorontwerp om verskillende strukturele dimensies te kombineer om 'n nanogestruktureerde samestelling van katalisatordraers te skep wat hoë geleidingsvermoë, groot oppervlakarea en hoë stabiliteit bied.Nikkel skuim(NF), 'n kommersieel beskikbare en goedkoop materiaal, is wyd gebruik as 'n substraat en draer vir elektrodemateriale vanweë die gewenste driedimensionele oopporieëstruktuur, hoë elektriese geleidingsvermoë en groot spesifieke oppervlakarea. Die mikroporieë en gekartelde vloei kanale binne die NFs verskaf ook goeie massa-oordrag en groot oppervlakte per eenheid area. Verskeie substrate, insluitend verskillende metaalskuim, gaas, foelie en materiaal, is ondersoek as versamelaars vir elektrochemiese toepassings soos litium-ioonbatterye, superkapasitors, sonselle en watersplitsing. Veral poreuse NF's het aandag getrek vanweë hul lae koste, elektriese geleidingsvermoë en groot elektroaktiewe oppervlakte, wat ideaal is vir die laai van katalisators en die verhoging van elektrochemiese aktiewe terreine. Boonop het poreuse NF's voordele in die verbetering van die massavervoer van elektroliete, wat hulle geskikte kandidate maak vir hoë-oppervlak-stroomkollektors in energietoepassings. Direkte groei van aktiewe materiale op nikkelskuim verbeter ook katalisator-substraat kontak vir doeltreffende elektronoordrag in water kraak reaksies. Terwyl superkapasitor- en battery-elektrodes die hooftoepassings vir NF's bly, het onlangse studies getoon dat elektrodemateriaal wat op hierdie materiaal neergelê word, beter OER-aktiwiteit het as Ni-foelies en -nette. Hierdie materiale kan óf in hul natuurlike vorm aangewend word óf met aktiewe materiale versier word, en die skuim kan beide as versamelaars en ondersteunende substrate gebruik word. Dus, die groei van 'n nano-gestruktureerde, aardryke katalitiese materiaal op NF-substrate hou belofte in vir die ontwikkeling van gevorderde elektrodemateriaal vir energieberging/-omskakelingstoestelle. Alhoewel aardryke elektrokatalisatore wat direk op nikkelskuim gekweek word algemeen beskikbaar is, is driedimensionele elektrodes op nikkelskuim vir OER's en HER's nie omvattend ondersoek nie, alhoewel dit poreuse hiërargiese strukture is wat goedkoop is en maklik is om te vervaardig.